高动态范围CMOS图像传感器技术研究

摘要

随着微电子技术工艺水平的不断提高，CMOS图像传感器的性能已经达到甚至超过了CCD的性能，CMOS图像传感器开始广泛应用于工业、交通、多媒体、医学等领域。对于CMOS图像传感器，动态范围是关系其成像质量的关键因素，决定着图像传感器的使用前景，因此提高CMOS图像传感器的动态范围成为研究热点之一。
　　 本文介绍了CMOS图像传感器并探讨了影响动态范围的因素，基于对一些常见的动态范围扩展技术的分析，设计了一种像素积分时间自适应结构的高动态CMOS图像传感器，通过调整单个像元的积分时间来自适应不同的局部光照情况，从而有效提高动态范围。该高动态范围像元电路除具有常规的CMOS APS电路外，主要还包含一个高速电压比较器和两个存储电容构成的采样保持电路，另外，在传感器芯片上还设计了一个公用的时间-电压编码电路，详细阐述了其工作原理。在像元的各部分电路中，高速电压比较器起到了很重要的作用，其性能直接影响到整个电路的性能。为此，设计了一种用于高动态范围像元的OTA(运算跨导放大器)改进型电压比较器，该电压比较器以标准OTA电路为基础，借鉴了局部正反馈电压比较器的拓扑结构。仿真结果表明，该比较器具有增益高，延时小，功耗低以及结构简单的优点。对所设计的高动态范围像素单元电路进行了仿真，结果表明该电路的动态范围达到120dB。在上述像元电路的基础上，设计了4×4像素阵列，仿真结果表明，所设计的高动态范围图像传感器电路工作正常。论文介绍了版图设计规则以及版图设计的流程和注意事项，并以0.35μmN阱标准CMOS工艺为基础，设计了单个像素单元电路的版图。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2 CMOS图像传感的原理

1.2.1无源像素(passive pixel)

1.2.2有源像素(active pixel)

1.3 CMOS图像传感器的特性

1.3.1填充系数(Fill Factor)

1.3.2暗电流(Dark Currenf)

1.3.3动态范围(Dynamic Range)

1.4 CMOS图像传感器的应用

1.4.1在工业上面的应用

1.4.2在交通工程中的应用

1.4.3在数码影像上面的应用

1.4.4在医学上面的应用

1.5课题的研究意义

2 CMOS图像传感器动态范围扩展技术

2.1 CMOS图像传感器的动态范围

2.2常用动态范围扩展技术

2.2.1对数像素

2.2.2具有横向溢出栅的像素

2.2.3两次或多次曝光技术

2.2.4条件复位多次采样像素结构

2.2.5局部曝光

2.3像素单元积分时间白适应技术

2.4本章小结

3.1高动态范围像素电路工作原理

3.2光电探测单元

3.3时间-电压编码电路

3.3.1 Codel产生电路

3.3.2 Code2产生电路

3.4高速电压比较器设计

3.4.1比较器原理

3.4.2比较器性能参数

3.4.3单级比较器

3.4.4两级比较器

3.4.5高速电压比较器

3.5采样脉冲生成电路

3.6 HDR像素单元电路仿真

3.7小结

4高动态范围像素阵列

5版图设计

5.1 CMOS制造工艺简介

5.2工艺设计规则

5.2.1宽度规则

5.2.2间距规则

5.2.3交叠规则

5.3版图的分析和检验

5.4版图数据的提交

5.5像元版图

5.6小结

6论文总结

致 谢

参考文献

附 录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录